第03讲 遥感物理基础之二_太阳辐射

遥感地质学Remote Sensing Geology遥感物理基础（ 2）地球大气对太阳辐射传输的影响河北工程大学 资源学院1/22遥感地质学章节内容第一章 绪论第二章 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射）第三章 遥感成像原理与图像特征第四章 遥感图像处理第五章 遥感图像地质解译标志第六章 遥感图像地貌解译第七章 遥感图像的岩性解译第八章 遥感图像构造解译第九章 遥感应用2/22第二章 遥感物理基础本章主要内容电磁波谱与电磁辐射的概念地球大气对太阳辐射传输的影响地球辐射与地物波谱特征彩色原理（色度学）3/22上节主要内容 电磁辐射是遥感技术的物理基础。 电磁波谱的概念 遥感中常用的电磁波波段 黑体的概念 实际物体电磁辐射规律 M= M0(， T)电磁波谱是各种电磁波按其波长（或频率）的大小依次排列形成的图表。 紫外波段： 0.28 0.38m 可见光波段： 0.38 0.76m紫蓝青绿黄橙红 红外波段： 0.76 1000m近中远超 微波： 1 1000mm在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数 恒等于1（即全部吸收 100% ）的物体称为 “绝对黑体 ”，简称 “黑体 ”。二、地球大气对太阳辐射传输的影响 太阳辐射 地球大气对太阳辐射传输的影响大气层的结构大气的成分大气对太阳辐射传输的影响 大气窗口5/22本节主要内容 太阳辐射是被动遥感主要的辐射源。 地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散射作用、反射作用和折射作用。 大气窗口的概念 主要大气窗口 大气对太阳辐射的影响特征如何在遥感中应用？结束21/22电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段，称为大气窗口。（ 1）可摄影波段 0.3 1.3m，紫外、可见光、近红外；（ 2）近红外波段 1.5 2.5m， 1.5 1.75m和 2.1 2.4m；（ 3）中红外波段 3.0 5.0m， 3.5 4.2m和 4.6 5.0m；（ 4）远红外波段 8.0 14.0m；（ 5）微波波段 0.8 100cm。1、选择大气窗口。2、认识大气传输对遥感图像判读的影响： 大气散射使短波波段（如 0.5-0.6m）的地物影像增加亮度，使景物反差减小； 大气的吸收使长波波段（如 0.8-1.1m）减低亮度。3、为图像恢复或辐射校正提供依据。太阳辐射 太阳辐射：即太阳光，是遥感主要的辐射源。 太阳常数：不受大气影响，在地球大气上界垂直于太阳辐射方向上，单位面积和单位时间所接收到的太阳辐射能量。I 1360W/m2 在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线太阳光相当于太阳光相当于 6000 K的黑体辐射；的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 0.76 m的可见光能量占太阳辐射总能量的的可见光能量占太阳辐射总能量的 46%，最，最大辐射强度位于波长大辐射强度位于波长 0.47 m左右；左右；到达地面的太阳辐射主要集中在到达地面的太阳辐射主要集中在 0.3 3.0 m波段波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。各波段的衰减是不均衡的。二、 地球大气对太阳辐射传输的影响返回6/22大气层结构从地面到大气上界，大气的结构分层为： 对流层：高度在 7 12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。 平流层：高度在 12 50 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层：高度在 50 1 000 km，大气中的 O2、 N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层： 800 35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。二、 地球大气对太阳辐射传输的影响返回7/22大气成分大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。气体： N2， O2， H2O， CO2， CO， CH4， O3悬浮微粒： 尘埃返回8/22地球大气对太阳辐射传输的影响v大气的吸收作用v大气的散射作用v大气的反射作用v大气的折射作用返回9/22大气的吸收作用：大气的吸收作用：大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。形成太阳辐射的大气吸收带（如下表）。大气的吸收作用O2吸收 带 11/22瑞利散射（ Rayleigh scattering） 当大气中粒子的直径比波长小的多时发生的散射。这种散射主要由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。特点是散射强度与波长的四次方成反比 I -4。12/22米氏散射（ Mie scattering）当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射，由烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比，即I -2，且散射在光线 向前方向比向后方向的散射强度更强 ，方向性较明显。云、雾的粒子大小与红外线（ 0.76 15m ）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。因此，潮湿天气米氏散射影响较大。13/22无选择性散射（ Non-selective scattering）当大气中粒子的直径比波长大的多时发生的散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关，因此，在符合无选择性散射条件的波段中，任何波长的散射强度相同，因此称为无选择性散射。14/22散射与波长的关系u对大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近紫外。u对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外都有影响，当波长进入红外波段后，米氏散射的影响超过瑞利散射。u大气云层中小水滴的直径相对较大，对可见光只有无选择性散射发生，大气层越厚，散射越强，对于微波，它的波长比大气中微粒大，主要出现瑞利散射。返回15/22大气的反射作用电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反射作用很小， 反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且各个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁波强度。当云层厚度达 50m时，反射量达 50以上，厚度为 500m时，反射量超过 80。另外，大气中直径大于 10-6m的微粒也会产生反射作用。返回16/22大气的折射作用 折射现象：传播方向改变，电磁波在大气中传播轨迹实际上是一条曲线。 朝日大还是中日大？返回孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰： “我以日始出时去人近，而日中时远也。 ”一儿曰： “我以日初出远，而日中时近也。 ”一儿曰： “日初出大如车盖。及日中，则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？ ”一儿曰： “日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？ ”孔子不能决也。两小儿笑曰： “孰为汝多知乎？ ”17/22折射角度大。大气窗口 大气窗口 主要大气窗口和 遥感波谱通道 (波段 )： P13表 2-4（ 1） 0.3-1.3m ： 紫外波段、可见光波段、近红外波段（ 2） 1.5-2.5m ： 近红外波段（ 3） 3.0-5.0m ： 中红外波段（ 4） 8-14m ： 远红外波段（ 5） 0.8-100cm： 微波波段电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段，称为大气窗口。包括部分紫外（ 0.3 0.38m）、全部可见光（ 0.38 0.76m）及近红外波段（ 0.76 1.3m），是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，比如， Landsat 卫星的 TM的 1-4波段， SPOT卫星的 HRV波段等。电磁波信息来自地面目标物的反射光谱；可以用摄影方式来获得和记录地物的电磁波信息 ；电磁波的透射率在 90以上。近红外窗口，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如 TM的 5、 7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 电磁波信息仍来自地面目标物的反射光谱，但不能用胶片摄影，只能用扫描仪和光谱仪以及射线测试仪来测量和记录；由于水汽、二氧化碳等的作用， 1.8m附近有一个吸收带，因此使此窗口又分为两个小窗口 1.5 1.75m和 2.1 2.4m。中红外波段，物体的热辐射较强。如 NOAA卫星的 AVHRR传感器用 3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。中红外波段电磁波信息 由地面物体反射太阳辐射和地面物体自身的发射辐射混合 而成，用扫描仪和光谱仪探测和记录；也分为两个小窗口： 3.5 4.2m透过率为 95， 4.6 5m透过率约为 60 70。远红外波段：主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。远红外波段：探测或记录目标物的发射光谱，利用扫描仪和热辐射计、光谱计； 是地表物体在常温下辐射能量最强的波段；在 9.6m附近处，分为两个小窗口，透射率约在 60 80。微波波段：其常用的波段为 0.8cm， 3cm， 5cm， 10cm等等 , 有时也可将该窗口扩展为 0.05cm至 300cm波段。其特点是： 微波穿云透雾的能力强，这一区间可以全天候工作； 主要用于主动遥感，如侧视雷达。18/2219/22地球大气对太阳辐射传输特性的遥感应用：1.选择大气窗口。2.认识大气传输对遥感图像判读的影响： 大气散射使短波波段（如 0.5-0.6m）